无论是真的科研实验室还是爱好者，Gamma能谱仪的分辨率巅峰就是高纯锗（HPGe）探测器。我在这里介绍一下我手上这台HPGe能谱仪的修理过程以及最终达到的性能。

这玩意儿长这个样子。。。左侧圆柱状为探测器晶体所在位置，右侧为Cold Finger，用处是塞进液氮杜瓦里，把晶体冷却到液氮温区。

这台HPGe购自某二手仪器回收商，由Ortec生产，型号是GEM-40210，说明是1.33MeV时3inch直径3inch高NaI:Tl的40%的探测效率，分辨率应该是2.10keV@1.33MeV，到手价格大约在800美元左右（包含一个双颈的30L原装Ortec液氮杜瓦）。HPGe到手时发现Preamp损坏。原装Preamp为Ortec自产的厚膜集成电路，目测就是个运算放大器。我初步测试时用一片高速运算放大器在面包板上搭了一个山寨版Preamp，就可以正常出信号。

初步测试

损坏的原装Preamp，上面有个HPA0306的厚膜集成电路，估计是Ortec自己封装的，网上并查不到数据手册。

DIY一个山寨Preamp先测试一下

可以得到脉冲信号，说明至少晶体正常。

这台HPGe的铭牌上要求高压为+3000V，在高压从0加到2000V的过程中，一切都正常，直到加到大约2500V的时候，信号突然消失。经过简单测量，发现内置冷冻JFET被击穿，估计是内部真空度下降，高压下打火，导致JFET被击穿。为了不让800刀就这样打水漂，接下来计划就是打开探测器外壳，更换JFET并重新抽真空。

如何打开阀门？？

这里没有使用徐版主的暴力方法直接锯开杜瓦，因为我的目标是恢复原样。先取下Preamp板和高压RC滤波器。

仔细观察结构，发现这里有两个阀门，三个电Feed through。三个电Feed through里，一个是JFET的驱动和信号输出，另外一个是高压输入（覆盖有白色绝缘硅胶），最后还有一个连接了PT500温度传感器，温度传感器直接固定在晶体支架上，可以非常方便地监控晶体降温的过程，也可以用于液氮蒸发完时高压电源的interlock，防止打火。经我测试，用标准PT500的曲线，完全降温后晶体大概是80K的样子。

其中第一张图中间的是泄压阀门。可能有人会感到困惑，明明内部是高真空，为什么需要泄压呢？其实这是一个低温杜瓦的标准设计。如果发生漏气（空气漏进杜瓦），降温以后，漏进去的空气会在内部液化，一旦升温，大量液化空气气化会造成气压陡升，可能发生爆炸，所以必须要这个泄压阀来保证安全。这里同时科普一下泄压阀的选择，使用弹簧的泄压阀有时候泄压了以后无法100%密封回去，如果要保证不漏气，必须检漏，或者一开始就用Burst Disk，一旦泄压直接膜片炸开，需要换新。

第二个图里稍小的就是我们这次主要使用的阀门了，打开它很简单，用一个4-40螺丝暴力拉出来就行了，如下图，拔出来以后当然真空就破坏了。

拔出来容易，但是要用它抽真空并且放回去（这种阀门是靠内部真空吸住密封的），就没这么简单了，正常做法是需要一个valve operator。这个valve operator不像Canberra的HPGe是那种标准大小，它是Ortec自己的一种规格。我向Ortec询问了价格，需要一个operator外加一个转接器，一套的总价大约是3000美元。鉴于这台HPGe到手价格也就1000刀不到，这里自然不可能购买原厂的工具了。

解决方案是。。。。

打开Solidworks一顿操作。使用O圈进行滑动密封，这也是很多商业的valve operator的设计。

23.mp4 点击下载

外加Machine Shop一顿操作，成功获得道具。

测试一下，没有clearance问题。

正式打开外壳

先看到的是一块巨大的晶体（晶体在这个一个铝合金外壳内，就不拆开了）

然后看到的是晶体外壳之下有一系列四氟绝缘柱，上面固定了JFET和RC复位电路。

还可以看到内部有一张塑料薄膜在外壳和晶体外壳之间，塑料薄膜上有电弧灼烧痕迹。

看到这里，问题已经很明确了，就是之前判断的晶体外壳和杜瓦外壳打火导致JFET击穿。接下来就是更换JFET。这里用一个同型号的2N4393 JFET替换。

注意一点，由于锗的能隙很小，在室温下因为热激发的原因，漏电流巨大，如果用万用表直接测试HPGe晶体，万用表会显示晶体短路。当降温到液氮温度以后漏电流大大降低，万用表就显示开路了（当然这个时候你也无法直接测试晶体两端了，因为晶体一端直接内部连接JFET的门级，为了降低噪声，不连到feed through上）。不要因为晶体短路就判断HPGe晶体损坏， HPGe晶体除非碎了，或者吃了太多中子剂量，否则寿命基本是无限的，坏的都是电子元件和真空杜瓦。

恢复真空

分子泵组抽回去。。。由于杜瓦里有分子筛，暴露在大气里以后吸收水蒸气，所以抽的时候水蒸气出气厉害，稍微加热烘烤了一下，抽到1E-5torr完事，反正接下来降温的时候分子筛还能帮忙Cryopumping。

降温。。。重新测试

这里还是使用Redpitaya 14bit 125Msps的ADC作为MCA，依然是那个垃圾山寨preamp，可以看到这个峰的宽度已经明显比NaI:Tl要窄得多了，但是离真实HPGe性能还差的老远，初步判断是Preamp问题。

重制Preamp

打开Altium Designer一顿操作，新的Preamp基本设计好了。

再测试一下

这下看上去给力多了。这是Co-60的谱，1.332MeV的分辨率大概在10keV的样子，还是没有完全恢复到应有的性能（应该可以到2keV左右），但是日常使用绝对OK，并且分辨率秒杀所有现有的闪烁体探测器。

样品测试

一个据说含有铀的碟子。

积分了很久，高能端的基本都是环境本底，本底的钍链可以看到很多峰，这是闪烁体探测器比较难做到的，低能端通过和本底相减可以看到几个200keV左右的铀的峰，这个图上不是很明显。

接下来是喜闻乐见的“浓缩香蕉”。。。一瓶KOH。。。

这K-40的峰非常非常明显，远远高于本底，放在边上大约5秒钟积分时间就可以清楚地看到。所以如果有人想要在国内测试自己的Gamma能谱仪或者盖格计数器，请购买一大瓶钾盐，水表安全且效果拔群。

至此，这台Ortec的HPGe翻修基本完成，在Pulsar测试中发现，晶体不是分辨率进一步提升的限制。之后可能考虑进一步改进Preamp，换用其他的MCA，或者替换其他JFET看看能否继续逼近原厂分辨率。